Performance Comparison of Multi-Carrier and Single-Carrier Based Transmission Techniques for UHDTV Systems

UHDTV 시스템을 위한 다중 반송파와 단일 반송파 기반 전송 방식의 수신 성능 비교

이 유 리^Š, 강 인 웅^*, 김 형 남^°

Performance Comparison of Multi-Carrier and Single-Carrier Based Transmission Techniques for UHDTV Systems

Yu-Ri Lee^Š, In-Woong Kang^*, Hyoung-Nam Kim^°

요 약

세계 여러 나라들은 향상된 방송 서비스를 제공하기 위해서 지상파 UHDTV (Ultra High Definition Television) 전송방식에 관한 연구를 진행하고 있으며, 대부분이 다중경로에 강건한 OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 기반의 다중 반송파 전송방식을 고려하고 있다. 일부 국가에서는 이를 기반으로 하는 DVB-T2 (Digital Video Broadcasting 2nd generation Terrestrial) 표준에 향상된 대용량 데이터 압축기술을 더해 UHDTV 실험 방송을 진행 중이다. 그러나 다중경로에 취약하다고 알려진 단일 반송파 전송방식에서도 수신기에 서 주파수 영역에서 채널 등화를 수행하는 SC-FDE (Single Carrier-Frequency Domain Equalizer)를 사용하면 이 러한 단점을 보완할 수 있기 때문에, 두 방식 간의 성능 차이가 미미하게 나타난다. 이를 고려해 본 논문에서는 UHDTV 방송을 위해서 고차 신호 성상을 전송하는데 다중 반송파와 단일 반송파 중 어느 방식이 적합한지에 대 한 판단 근거를 제공하고자 두 방식의 수신 성능을 비교한다.

Key Words : UHDTV, OFDM, FDE, high-order modulate, LDPC code

ABSTRACT

Transmission methods for terrestrial UHDTV broadcasting have been actively studied in order to provide enhanced broadcasting service in many countries. Most of the countries are considering multi-carrier transmission methods based on OFDM and some of them have performed UHDTV experimental broadcasting by using the DVB-T2 standard with the adoption of an improved data compression technique. However, since single carrier transmission methods, which are known to be susceptible to multi-path fading, could remedy this defect by using the SC-FDE method where a frequency domain equalizer is utilized in the receiver, they may achieve a similar transmission performance with multi-carrier transmission methods. In consideration of these circumstances, we compare the transmission performances of two-type methods to provide a decision criterion on a suitable transmission method for UHDTV broadcasting.

http://dx.doi.org/10.7840/kics.2014.39A.7.380

※ 본 논문은 BK21플러스, IT기반 융합산업 창의인력양성사업단에 의하여 지원되었음.

Š First Author : Pusan National University Department of Electrical and Computer Engineering, [email protected], 학생회원

° Corresponding Author : Pusan National University Department of Electronics Engineering, [email protected], 종신회원

* Pusan National University Department of Electrical and Computer Engineering, [email protected] 논문번호：KICS2014-04-143, Received April 29, 2014; Revised July 9, 2014; Accepted July 9, 2014

Ⅰ. 서 론

현재 세계의 대부분의 나라들이 아날로그 방송을 디지털 방송으로 전환을 완료하면서 HDTV (High Definition Television) 서비스를 제공하고 있으며, 이 에 따라 시청자들의 차세대 고화질 방송 서비스에 대 한 관심과 기대가 점차 증대되고 있다. 이러한 기대에 부응하여 세계 각국에서는 디스플레이 기술의 진화와 전송 기술의 고도화를 바탕으로 UHD (Ultra High Definition)급 영상 서비스를 도입하여 향상된 고품질 방송 서비스를 제공하기 위해 노력하고 있다^[1,2]. UHDTV는 HD 해상도 (1920×1080)에 비해 최소 4 배 (3840×2160), 최대 16배 (7680×4320) 더 큰 해상 도를 가지는 초고화질 영상을 제공하는 방송 서비스 이다^[2]. 따라서 UHDTV 서비스를 제공하기 위해서는 매우 높은 데이터 전송속도 (data rate)를 필요로 하기 때문에 기존의 HD급 전송 방식으로는 요구되는 전송 속도를 만족하기가 어렵다. 하지만 최근에 대용량 비 디오 압축 방식인 HEVC (High Efficiency Video Coding)가 개발되면서, 기존의 HD급 전송 방식보다 데이터 전송속도를 2~3배 정도만 증가시키면 UHDTV 서비스 제공이 가능하다^[2].

현재 HDTV 서비스를 제공하는 지상파 디지털 방 송 표준은 크게 ATSC (Advanced Television Systems Committee), DVB-T (Digital Video Broadcasting-Terrestrial), ISDB-T (Integrated Service Digital Broadcasting-Terrestrial), DTMB (Digital Terrestrial Multimedia Broadcast)로 나뉜다.

미국 지상파 방송 표준단체인 ATSC의 데이터 전송 방식은 단일 반송파 (Single-Carrier, SC) 전송 방식을 사용하고, 다른 지상파 방송 표준의 데이터 전송 방식 은 OFDM 기반의 다중 반송파 (Multi-Carrier) 전송 방식을 사용한다. OFDM 기반 전송 방식을 사용하는 지상파 방송 표준 중 DVB-T는 2008년에 256-QAM, LDPC와 같은 높은 차원의 변조 및 코딩 기술을 포함 하는 DVB-T2 표준을 제정하였고, 현재 디지털 지상 파 방송 표준 중 가장 높은 전송률을 제공할 수 있다.

이러한 DVB-T2의 유용성을 반영하여 국내외에서는 새로운 압축방식인 HEVC를 DVB-T2에 적용해 UHDTV 방송 실험을 진행 중이다^[3]. SC 기반 전송 방식을 사용하는 ATSC는 2011년 말부터 2015년 완 료를 목표로 HEVC 압축방식을 적용한 UHDTV를 포함하는 차세대 방송표준 (ATSC 3.0) 제정 작업을 진행 중이고, ATSC 3.0 제정 작업에서 데이터 전송 방식으로 SC 기반 전송 방식을 고수할 지 아니면 새

롭게 OFDM 기반 전송 방식을 채택할 지 그 결과가 주목되고 있는 상황이다. ATSC의 기존 SC 기반 전송 방식은 PAPR이 낮고 주파수 오프셋에 둔감하다는 장 점이 있지만, 수신기에서 시간영역 등화기를 사용하고 있어 수신단의 복잡도가 비교적 크고 연산량이 많다 는 단점이 있다^[4]. 그러나 이러한 문제를 해결하기 위 해서 OFDM 방식에서와 같이 주파수 영역 등화기를 사용하여 SC 기반 전송 방식의 단점을 보완할 수 있 는 SC-FDE (Frequency Domain Equalizer) 가 제안 되었으며, 이를 적용할 경우 두 전송 방식 간의 수신 단의 복잡도나 성능 등에 있어서 그 차이가 미미하게 나타난다^[5]. 이에 따라 기존 SC 기반 전송 방식의 장 점을 활용할 수 있도록, SC 기반에서 데이터 전송량 을 늘리는 연구도 다각도로 진행 중이다^[6,7].

본 논문에서는 이러한 지상파 DTV 방송의 세계적 흐름에 맞춰 OFDM 기반 전송 방식과 SC-FDE 기반 전송 방식을 모두 고려하며, 각 전송 방식에서 신호 성상의 차수를 높여 데이터 전송속도를 증가시켰다.

그리고 채널이나 잡음에 의한 영향을 줄이기 위해 강 력한 오류 정정 능력을 가진 LDPC (Low-Density Parity-Check) 채널 코딩을 사용하여, 고차 신호 성상 을 적용했을 때 OFDM과 SC-FDE 기반 전송 방식의 수신 성능을 비교 분석한다.

본 논문의 구성은 다음과 같다. Ⅱ장에서는 UHDTV 서비스에 대해 살펴보고, Ⅲ장에서는 기존의 HDTV 서비스를 제공하기 위해 사용되던 OFDM 기 반 전송 방식과 SC의 단점을 보완하는 SC-FDE 기반 전송 방식에 관해 기술한다. Ⅳ장에서는 지상파 UHDTV 방송 서비스 전송을 위해 데이터 전송률을 증가시키기 위한 방법으로 고차 신호 성상을 적용하 는 방법에 대해 설명하고, 실제로 이를 적용할 때 고 려해야 할 사항에 대해 기술한다. Ⅴ장에서는 UHDTV 서비스를 위한 채널 환경에서 고차 신호 성 상이 적용된 OFDM과 SC-FDE 기반 전송 방식의 BER 성능 차이를 분석하고, 마지막으로 Ⅵ장에서 결 론을 맺는다.

Ⅱ. UHDTV 방송 서비스 기술

세계 각국에서 HDTV 방송 서비스가 상용화됨에 따라 고품질 실감 미디어 (immersive media) 방송기 술에 대한 개발 필요성이 확대되어 UHDTV 방송 기 술에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 실감 미디어 는 가상의 환경을 현실세계에 근접하게 재현하고자 하는 차세대 미디어로 공간의 제약을 극복하면서 현

(a) OFDM 기반 송수신 전송 방식 블록도

(b) SC-FDE 기반 송수신 전송 방식 블록도 그림 1. OFDM과 SC-FDE 기반 전송 방식 블록도 Fig. 1. Block diagrams of OFDM and SC-FDE based transmission system

실감과 선명함을 제공하는 미디어 정보들을 의미한다.

이러한 실감미디어는 HDTV (2K)가 제공하는 해상도 보다 4배 (4K-UHD) ∼ 16배 (8K-UHD) 높은 해상도 의 초고화질 영상 및 10개 이상의 채널을 가지는 오디 오 신호의 전송을 통해 실현이 가능하다.

디지털 영상의 화질은 해상도뿐만 아니라 화면 주 사율 (refresh rate), 화소당 비트 수, 컬러 포맷에 의해 결정된다. 해상도는 디스플레이 장치에서 한 화면을 표현하는 데 사용되는 픽셀 수를 의미하며, 4K-UHD 는 3840×2160, 8K-UHD는 7680×4320 크기의 화면 을 가진다. 화면 주사율은 초당 화면에 나타나는 프레 임 수이며, 이 값이 클수록 자연스러운 동영상을 표현 할 수 있다. 화소당 비트 수는 하나의 픽셀을 나타내 는 데 사용되는 비트 수를 의미하는데, 이 값이 클수 록 한 픽셀 내에서 풍부한 색을 표현할 수 있다. 일반 적으로 n 개의 비트가 사용될 경우, 2n 개의 색을 표 현할 수 있다. 컬러 포맷은 색을 나타내는 방법을 말 하며 RGB, YUV, TCbCr 등 여러 종류가 있는데, 방 송에서는 색을 나타내는 방법으로 YUV를 사용한다.

ITU-R (International Telecommunication Union- Recommendations) 및 SMPTE (Society of Motion Picture and Television Engineers) 표준에 정의된 지 상파 UHDTV의 주요 특징을 살펴보면, 화면 주사율 은 30, 60 fps 를 사용하고, 화소당 비트 수는 8, 10, 12 bit를 가지며, 컬러 포맷은 YUV 4:2:0, 4:3:3, 4:4:4를 가진다. 기존의 HDTV와 비교하면 최소 4배

∼ 최대 96배까지 데이터양이 늘어나게 되므로^[8], 실 감미디어의 제공을 위해서는 UHD급 화질을 전송할 수 있는 대용량의 전송 방식 개발이 필요하다.

일본, 미국, 유럽에서는 이미 UHDTV와 관련한 방 송 기술 연구가 진행되고 있다^[8]. 일본은 일본 방송 협 회인 NHK (Nippon Hoso Kyokai, NHK)를 중심으로 2000년대 초반부터 UHD 방송을 위한 국제표준 제정 및 관련 장비 개발을 진행하였고, 2015년에 실험 방송 을 시작할 예정이며, 2020년에는 본방송을 목표로 하 고 있다. 미국은 DCI (Digital Cinema Initiative)사를 중심으로 디지털 시네마를 위한 UHD 기술개발 및 표 준화를 선도하고 있다. 또한, 영국 BBC (British broadcasting Corporation)는 2012년 런던 올림픽대회 를 UHD로 촬영하여 NHK와 공동으로 UHD 방송을 위성으로 중계하였고, 지상파 UHD 기술개발을 위한 연구가 활발히 진행 중이다. 우리나라 역시 지상파 UHDTV 서비스를 위한 송수신정합 표준을 개발하고 있는 중이다^[8].

Ⅲ. HD급 방송 서비스를 위한 기존 전송 방식

3.1 OFDM 기반 전송 방식

OFDM 기반 전송 방식은 좁은 대역폭으로 분할된 부반송파에 송신 데이터들을 병렬로 삽입하여 하나의 심볼로 전송하는 방식이다^[9]. OFDM 기반 전송 방식 은 각 부반송파간 직교성을 유지함으로써 각 부반송 파간의 간격을 최소화하여 높은 주파수 이용효율을 가진다. OFDM 기반 전송 방식은 그림 1(a)와 같은 구조를 가지며, 각 부반송파에 진폭 및 위상을 설정하 고 IDFT (Inverse Discrete Fourier Transform)하여 하나의 송신 심볼을 생성할 수 있다. IDFT로 생성된 송신 심볼은 각 심볼의 후반 몇 개 샘플과 동일한 샘 플인 Cyclic Prefix(CP)를 송신 심볼의 앞부분에 삽입 하는데, 이는 채널에 의해 생기는 심볼간 간섭 (Inter-Symbol Interference, ISI)을 제거하면서 부반송 파간의 직교성을 유지하기 위함이다. 이후, 채널에 의 해 왜곡된 신호는 수신단의 입력으로 들어오게 된다.

입력된 수신 신호는 CP를 제거한 후에 DFT (Discrete Fourier Transform)하여 단일 탭 등화기 (one-tap equalizer)로 왜곡된 신호를 보상해준다.

OFDM 기반 전송 방식은 주파수 선택적 채널 (frequency selective channel)의 영향이 각 부반송파 에서 협대역 플랫 페이딩 (flat fading)의 영향과 같고, 채널의 영향은 각 부반송파 신호에 크기 (amplitude) 와 위상 (phase)의 곱으로 나타난다. 따라서 OFDM은 채널 보상 시 단일 탭 등화기로 간단하게 보상이 가능 하다는 장점이 있어 IEEE 802.11a, IEEE 802.16a/d, DAB/DMB, DVB-T 등의 통신 및 방송 표준에 채택 되어 사용되고 있다^[10].

3.2 SC 기반 전송 방식

기존의 SC 기반 전송 방식에서는 대부분의 수신기 에서 시간영역 등화기를 사용하였다. SC 기반 전송

방식은 일반적으로 심볼 길이가 짧기 때문에 채널에 의한 지연 왜곡이 심할 경우에 원래의 심볼 (original symbol)에서 시간적으로 거리가 먼 심볼까지 ISI가 발생하게 된다. 이로 인해 시간 영역 등화기는 지연 정도가 길어지게 되면 탭(tab) 수가 늘어나게 되고, 왜 곡이 제거된 심볼을 얻기 위한 연산량이 증가해 시스 템의 복잡도와 연산 속도가 매우 증가하게 된다. 이러 한 단점을 보완하기 위해 주파수 영역 등화기를 적용 한 SC 기반 전송 방식인 SC-FDE 기반 전송 방식이 제안되었다^[11,5].

SC-FDE 기반 전송 방식은 그림 1(b)와 같은 구조 를 가진다. SC-FDE 기반 전송 방식은 기존의 SC 기 반 전송 방식과 같이 하나의 반송파에 데이터를 직렬 로 변조하여 신호를 전송하고, 추가적으로 OFDM 기 반 전송 방식과 같이 생성된 각 심볼 블록의 앞부분에 CP를 삽입한다. 이는 ISI를 없애기 위함이 아니라, 수 신측에서 주파수 영역 등화를 위해 신호와 채널의 순 환 컨볼루션 (circular convolution)이 성립되도록 하 기 위함이다. CP가 삽입된 신호는 채널에 의해 왜곡 되어 수신단의 입력으로 들어오고, 이 신호는 CP가 제거된 후에 DFT하여 주파수 영역으로 변환되어 채 널의 주파수 응답 (frequency response)의 역을 곱하 여 왜곡된 채널이 보상되면 IDFT하여 다시 시간영역 으로 변환된다.

SC-FDE 기반 전송 방식은 기존의 SC 기반 전송 방식과 다르게 주파수 영역에서 등화를 함으로써 기 존의 시간영역 등화기와는 달리 채널의 길이가 길어 져도 계산량 및 필요한 탭 개수가 크게 늘어나지 않아 알고리즘 복잡도가 낮아져 OFDM과 같이 채널 보상 이 간단해진다. 그리고 OFDM과 비교해 PAPR이 더 작아 송수신 시 비선형 증폭기에 의한 측대역의 영향 이 작고, 주파수 오프셋에 비교적 둔감하여 동기에 관 한 수신기의 설계가 비교적 간단한 장점이 있어, 일대 다 통신인 LTE (Long Term Evolution)의 상향링크 (uplink) 시스템에서 사용되고^[12], 무선 브로드밴드 표 준인 IEEE 802.16에서 OFDM을 대신하여 쓰이기도 한다^[13].

Ⅳ. UHDTV 방송 서비스를 위한 고차 신호 성상

UHDTV 영상은 HD 해상도 (1920×1080)에 비해 최소 4배 (3840×2160)에서 최대 16배 (7680×4320) 의 해상도를 제공한다. 따라서 UHD급 데이터 전송을 위해서는 전송속도를 크게 증가시켜야 한다. 일반적으 로 송수신용 모뎀에서 전송속도를 증가시키기 위한

방법으로는 크게 두 가지가 있다. 하나는 주파수 대역 폭 (Bandwidth)을 늘리는 방법이고, 다른 하나는 신호 성상의 차수를 증가시키는 방법이다. 그런데 국내 통 신용으로 사용할 수 있는 주파수는 주파수 사용에 대 한 규약에 따라 대역폭이 할당되어 있다. 방송을 위한 주파수 대역폭은 국내외에서 6 MHz 또는 8 MHz로 지정되어 있기 때문에, 실제적으로는 OFDM과 SC 기 반 전송 방식 모두 주파수 대역폭을 늘릴 수 없다.

이에 반해 신호 성상의 차수를 증가시키는 방법은 심볼당 비트 수를 늘리는 방식으로 주파수 대역폭과 같은 제약 사항이 없으므로 OFDM 과 SC 기반 전송 방식에 모두 적용이 가능하다. 기존 지상파 DTV 표 준의 데이터 전송속도를 살펴보면, OFDM 기반 전송 방식을 사용하는 DVB-T2는 QAM (Quadrature Amplitude Modulation) 변조 방식을 사용하여 약 40 Mbps의 데이터 전송속도를 가질 수 있고, SC 기반 전송 방식을 사용하는 ATSC 2.0은 8-VSB (Vestigial Side Band) 변조 방식을 사용하여 약 20 Mbps의 데 이터 전송속도를 가진다. 두 DTV 표준의 영상 압축 방식은 모두 H.264/AVC MPEG-4 이다^[14,15]. ITU-R 및 SMPTE 표준에 의해 정해진 8K-UHDTV 서비스 를 제공하기 위해서는 압축 방식을 적용하지 않을 시 에 최소 12 Gbps 이상으로 데이터를 전송해야 한다^[8]. 기존의 압축방식인 H.264/AVC MPEG-4는 1/100의 압축률을 가지고 있어, 8K-UHD급 화질을 제공하기 위해서는 120 Mbps 이상의 데이터 전송률이 필요하 기 때문에 현실적으로 구현이 어렵다. 하지만 최근 ISO/IEC MPEG과 ITU-T VCEG (Video Coding Experts Group)가 협력하여 개발한 HEVC는 기존의 H.264/AVC MPEG-4 방식에 비해 압축률이 2배 더 뛰어나^[16] 지상파 UHDTV를 위한 압축방식으로 적용 될 예정이다. 따라서 HEVC 압축 방식을 사용하는 8K-UHDTV 는 최소 60 Mbps의 데이터 전송속도가 필요하므로, 신호 성상의 차수를 증가시켜 기존 방식 에 비해 데이터 전송속도를 2∼3배 증가시킬 수 있다.

이렇게 신호 성상의 차수를 증가시키면 데이터 전 송속도가 증가하게 되지만, 실제로 적용하기 위해서 고려해야 할 사항이 있다. 각 차수를 가지는 성상 (constellation)의 평균 에너지를 동일하게 유지하는 경우에 성상의 차수가 높을수록 성상의 신호 점들이 가까워지기 때문에 잡음에 더 민감해진다. 예를 들어, 그림 2와 같이 동일한 평균에너지를 가지는 QAM의 신호 성상을 나타냈을 때, 신호 성상의 차수가 증가할 수록 신호 점들이 급격히 가까워지는 것을 확인할 수 있다. 따라서 성상의 차수가 높을수록 비트 오류율

-1 -0.5 0 0.5 1 -1

-0.5 0 0.5 1

Quadrature

In-Phase

(a) 16-QAM 신호 성상

-1 -0.5 0 0.5 1

-1 -0.5 0 0.5 1

Quadrature

In-Phase

(b) 64-QAM 신호 성상

-1 -0.5 0 0.5 1

-1 -0.5 0 0.5 1

Quadrature

In-Phase

(c) 256-QAM 신호 성상

-1 -0.5 0 0.5 1

-1 -0.5 0 0.5 1

Quadrature

In-Phase

(d) 1024-QAM 신호 성상 그림 2. 동일한 평균 에너지를 가지는 QAM의 신호 성상

Fig. 2. Constellation diagram for QAM with same average energy

Parameters Specifications

Channel coding

LDPC (64800,48600) Code rate : 3/4

Decoder : LLR-based soft decision Signal

constellation QAM

DFT length

(Block length) 4096

Frequency

bandwidth 6 MHz

Cyclic prefix 1/64

Channel

compensation MMSE

Channel environments

Time-invariant channels (Brazil A, Brazil C, TU-6) 표 1. 모의실험 파라미터

Table 1. Simulation parameters (bit error rate)이 커지게 되고, 이를 방지하기 위해서

는 신호의 크기를 키우거나 잡음을 줄여 높은 SNR (signal-to-noise ratio)을 확보해야 한다. 또한 방송 채 널에서는 다중경로에 의한 간섭으로 인해 SC 전송 방 식에서 ISI가 발생할 수 있고, OFDM 전송 방식에서 부반송파간 간섭 (Inter-Carrier Interference, ICI)이 발생할 수 있다. 이러한 간섭을 받은 수신 신호를 성 상으로 나타내면, 원래 성상 (original constellation)의 주위에 퍼지는 형태가 된다^[17]. 신호 성상의 차수가 높 아 성상의 신호 점들이 가까이 있으면 다중 경로 간섭 에 의해 주위 신호 점들의 간격이 감소하므로 수신기 에서 신호를 복원하는 것이 어렵게 된다. 따라서 수신 기에서는 ICI를 제거하는 기법들과 ISI를 제거하는 등 화기, 그리고 강력한 오류 정정 능력을 가지는 채널 코딩이 필요하다.

Ⅴ. 모의실험을 통한 수신 성능 비교 및 분석

5.1 모의실험 환경

모의실험에서 사용된 채널 코딩 방식은 최대 64800 비트의 코드워드 (codeword) 길이를 가지는 LDPC (Low-Density Parity-Check) 코드이고, 부호율은 3/4 을 사용하였다. 그리고 수신기에서 LLR (Log Likelihood Ratio) 값을 이용해 연판정 복호 (soft decision decoding)를 하였다. 신호 성상은 디지털 통 신 시스템에서 주로 사용되는 QAM을 선택하였다.

OFDM 기반 전송 방식의 DFT 크기는 현재 DVB-T2 에서 사용하고 있는 크기인 4096으로 고정하였고, SC-FDE 기반 전송 방식의 CP 삽입을 위한 심볼의 블록화에서 OFDM과의 데이터 전송량을 맞추기 위해 역시 4096 개의 심볼을 하나의 블록이 되도록 고정하 였다. CP 삽입 길이는 블록 하나 길이의 1/64 로 약 10.67 us이다. 주파수 대역폭은 국내의 방송을 위해

지정된 주파수 대역폭과 동일한 6MHz로 고정하였으 며, 이에 따라 SC-FDE의 심볼 시간은 1/6 ≃ 0.1667 us이고, OFDM의 심볼 시간은 4096/6*(1+1/64) ≃ 0.6935 ms이다. SC-FDE의 채널 보상 방법으로는 MMSE (Minimum Mean Square Error) 등화기를 사 용하였고, 채널 추정 성능에 대한 영향을 배제하기 위 하여 모든 채널 정보는 알고 있다고 가정하였다. 표 1 은 모의실험 파라미터를 정리한 것이다.

지상파 UHDTV 서비스는 빠른 데이터 전송속도를 가진 송수신 방식을 필요로 한다. 일반적으로 고용량 의 데이터를 송수신하는 방식은 채널이나 잡음에 의 한 영향에 민감하기 때문에, 고용량의 데이터 전송과 이동성은 양립할 수 없어 지상파 UHDTV 서비스는 시불변 채널에서 송수신 방식을 개발하는 것을 목표 로 한다. 따라서 모의실험에서 사용된 채널은 시불변 채널인 Brazil A, Brazil C, TU-6 채널이다. Brazil A 채널은 도시 외곽의 실외 수신 환경을 나타내는데, 표 2와 같이 부경로 (subpath) 신호의 크기가 작고 비교

0 10 20 30 40 10^-6

10^-5 10^-4 10^-3 10^-2 10^-1 10⁰

SNR

uncoded BER

SC 4QAM OFDM 4QAM SC 16QAM OFDM 16QAM SC 64QAM OFDM 64QAM SC 256QAM OFDM 256QAM

그림 3. 성상의 차수에 따른 OFDM과 SC-FDE 기반 전송 방식의 uncoded BER 성능 (TU-6 채널)

Fig. 3. Uncoded BERs of OFDM and SC-FDE according to modulation depth

Delay(us) Amplitude(dB)

0.00 0

0.15 -13.8

2.22 -16.2

3.05 -14.9

5.86 -13.6

5.93 -16.4

표 2. Brazil A 채널의 다중경로 프로파일 Table 2. Channel profile of Brazil-A

Delay(us) Amplitude(dB)

0.000 -2.8

0.089 0

0.419 -3.8

1.506 -0.1

2.322 -2.5

2.799 -1.3

표 3. Brazil C 채널의 다중경로 프로파일 Table 3. Channel profile of Brazil-C

Delay(us) Amplitude(dB)

0.0 -3

0.2 0

0.5 -2

1.6 -6

2.3 -8

5.0 -10

표 4. TU-6 채널의 다중경로 프로파일 Table 4. Channel profile of TU-6

적 긴 채널 지연을 가진다. Brazil C 채널은 실내 수신 환경을 나타내며, 표 3과 같이 부경로 신호의 크기가 크고 짧은 채널 지연을 갖는다. TU-6 채널은 도심 수 신 환경을 말하며, 표 4와 같이 비교적 긴 채널 지연 을 가지면서 부경로 신호의 크기가 크고 Rayleigh fading을 가지는 것이 특징이다.

5.2 신호 성상의 차수에 따른 OFDM과 SC-FDE 기반 전송 방식의 수신 성능 차이

그림 3은 TU-6 채널에서 신호 성상의 차수를 높여 가며 OFDM과 SC-FDE 기반 전송 방식의 SNR에 따 른 uncoded BER 성능을 나타낸 것이다. OFDM과 SC-FDE 기반 전송 방식은 주파수 영역에서 채널을 보상하게 되는데, OFDM 기반 전송 방식에서는 채널 에 의한 null 영향이 각 부반송파의 데이터에 직접적 으로 영향을 주는 반면에 SC 기반 전송 방식에서는 채널 왜곡을 보상한 후 시간 영역으로 DFT 되면서 채 널에 의한 null 영향이 시간영역으로 퍼진 상태에서 수신 신호를 판별한다. 채널의 null이 비교적 작을 경

우, OFDM은 null이 발생하는 부반송파에서 오류가 생기게 되지만, SC-FDE는 시간 영역에서 데이터를 판별하므로 null의 영향이 퍼져 낮은 성상의 차수일 때는 심볼 간 거리가 멀기 때문에 오류가 생길 확률이 줄어들어 OFDM 기반 전송 방식에 비해 더 좋은 uncoded BER 성능을 가지게 된다^[5]. 하지만 신호 성 상의 차수가 증가하게 되면 OFDM 기반 전송 방식의 경우에 DFT 크기가 달라지지 않으므로 채널에 의한 null 영향을 받는 부분이 크게 달라지지 않아 성능이 나빠지는 정도가 크지 않지만, SC-FDE 기반 전송 방 식의 경우에는 채널에 의한 영향이 시간영역에서 전 체 블록 데이터에 영향을 주게 되어 신호 성상의 차수 가 증가할수록 심볼 간 거리가 좁아지게 되어 데이터 판별에 더 큰 오류가 생기게 된다. 따라서 그림 3과 같이 신호 성상의 차수가 증가할수록 SC-FDE 기반 전송 방식이 OFDM 기반 전송 방식에 비해서 성능 열화가 커지면서, 결국 256-QAM 성상일 때 OFDM 과 거의 비슷한 수신 성능을 가지는 것을 볼 수 있다.

5.3 고차 신호 성상 적용 시 OFDM과 SC-FDE 기반 전송 방식의 수신 성능 비교

본 절에서는 1024-QAM의 고차 신호 성상을 가지 는 데이터를 OFDM과 SC-FDE 기반 전송 방식을 사 용해 UHD 채널을 통과시킨 후 수신된 신호의 Coded BER 성능을 확인한다. 그림 4는 AWGN 채널을 통과 한 신호의 수신 성능이다. AWGN 환경에서는 다중경 로 채널 (multipath fading)에 의한 왜곡이 없기 때문 에 OFDM과 SC-FDE 기반 전송 방식의 성능 차이가 없다. 그림 5는 비교적 신호의 왜곡이 적게 일어나는 Brazil A 채널을 통과한 각 방식의 수신 성능을 나타

24 24.5 25 25.5 26 10^-3

10^-2 10^-1

SNR

coded BER

SC-FDE OFDM

그림 4. 1024-QAM 을 사용한 SC-FDE와 OFDM 기반 전 송 방식의 coded BER 성능 (AWGN 채널)

Fig. 4. Coded BER of SC-FDE and OFDM modulated by 1024-QAM (AWGN channel)

24 24.5 25 25.5 26 26.5 27

10^-6 10^-5 10^-4 10^-3 10^-2 10^-1

SNR

coded BER

SC-FDE OFDM SC-optimal

그림 5. 1024-QAM 을 사용한 SC-FDE와 OFDM 기반 전 송 방식의 coded BER 성능 (Brazil A 채널)

Fig. 5. Coded BER of SC-FDE and OFDM modulated by 1024-QAM (Brazil A channel)

26 28 30 32 34 36 38

10^-6 10^-5 10^-4 10^-3 10^-2 10^-1

SNR

coded BER

SC-FDE OFDM SC-optimal

그림 6. 1024-QAM 을 사용한 SC-FDE와 OFDM 기반 전 송 방식의 coded BER 성능 (Brazil C 채널)

Fig. 6. Coded BER of SC-FDE and OFDM modulated by 1024-QAM (Brazil C channel)

25 30 35 40

10^-5 10^-4 10^-3 10^-2 10^-1

SNR

coded BER

SC-FDE OFDM SC-optimal

그림 7. 1024-QAM 을 사용한 SC-FDE와 OFDM 기반 전 송 방식의 coded BER 성능 (TU-6 채널)

Fig. 7. Coded BER of SC-FDE and OFDM modulated by 1024-QAM (TU-6 channel)

낸다. 여기서 SC-optimal은 본 논문에서의 SC 기반 전송 방식의 최적 성능을 타나낸다. 이 방식은 LDPC 코드의 입력 성분으로 최적의 LLR (log-likelihood ratios)을 구하기 위하여 모든 이전 심볼들은 정확하게 판단되었다고 가정한 상태로 수신된 현재 심볼에서 채널에 의한 ISI를 제거한 후 LLR을 구하였다. 여기 서 SC-optimal은 다중경로 채널에 의한 영향을 크게 받지 않아 OFDM 기반 전송 방식에 비해 약 0.3dB 정도 높은 성능을 가지지만, MMSE를 사용하여 채널 을 보상해 준 SC-FDE 기반 전송 방식은 OFDM과 유 사한 성능을 가짐을 볼 수 있다. 그림 6은 신호의 왜 곡이 크게 일어나는 Brazil C 채널을 통과한 각 방식 의 수신 성능을 나타낸 것이며, SC-optimal은 다중경 로 채널에 의한 영향을 크게 받아 OFDM 기반 전송 방식에 비해 약 3.5dB 정도 낮은 성능을 가지고, MMSE를 사용하여 채널 보상을 한 SC-FDE 기반 전

송 방식의 경우에는 약 8dB 정도 낮은 성능을 가짐을 확인할 수 있다. 그림 7은 신호의 왜곡이 크게 일어나 고 채널 지연도 긴 TU-6 채널을 통과한 각 방식의 수 신 성능을 나타내며, 그림 6에서와 비슷하게 SC- optimal은 다중경로 채널에 의한 영향을 받아 OFDM 기반 전송 방식에 비해 약 2dB 정도 낮은 성능을 가 지고, MMSE를 사용하여 채널 보상을 한 SC-FDE 기 반 전송 방식의 경우에는 약 7dB 정도 낮은 성능을 가짐을 볼 수 있다.

OFDM 기반 전송 방식은 앞서 설명했듯이 채널에 의한 null 영향을 받는 부반송파 데이터에 오류가 생 기게 되는데, 채널의 왜곡이 클수록 null이 많아져 성 능이 나빠지게 되지만 그 영향은 채널에 의한 null이 나타나는 주파수에 해당하는 부반송파에 국한된다. 하 지만 SC-FDE 기반 전송 방식은 주파수 영역에서 등 화하게 되더라도 시간 영역으로 DFT 하여 채널의 왜

곡이 DFT 블록의 전체 데이터에 영향을 주게 된다.

1024-QAM과 같이 차수가 높을 때 심볼 간의 거리가 좁으면, OFDM의 경우에 null이 생긴 부분만 영향을 받는 반면 SC-FDE의 경우에는 DFT 블록의 전체 데 이터가 영향을 받아 채널 왜곡이 클수록 오류가 발생 하는 데이터가 많아지게 된다. 그리고 OFDM은 채널 보상을 한 후에 왜곡이 일어난 부반송파의 신호들과 왜곡이 없는 부반송파의 신호들이 LDPC 채널 디코딩 을 거치면서 비교적 많은 오류들이 정정되었다.

SC-FDE는 채널 보상을 한 후에 null의 영향이 작은 경우에는 DFT 블록 전체적으로 심볼 간 거리에 비해 왜곡이 작아 LDPC 채널 디코딩을 거치면서 오류 정 정이 잘 되었지만, null의 영향이 크다면 DFT 블록 전 체적으로 심볼 간 거리에 비해 왜곡이 커져 LDPC 채 널 디코딩을 거쳐도 오류 정정 정도가 크기 않았다.

이러한 이유로 고차 성상의 신호를 보낼 때 신호의 왜 곡이 크게 나타나는 Brazil C 채널과 TU-6 채널에서 는 SC-FDE 기반 전송 방식이 OFDM에 비해 채널에 의한 영향을 크게 받으며, 그림 5-7에서 SC-optimal과 SC-FDE를 비교해 봤을 때 등화기의 성능에 따라 시 스템의 수신 성능이 크게 달라짐을 볼 수 있다. 그러 나 SC-FDE 전송 방식이 신호의 왜곡이 비교적 적게 일어나는 Brazil A 채널에서는 OFDM과 비슷한 성능 을 가진다는 점과 PAPR이 낮고 주파수 오프셋에 둔 감하다는 장점을 감안하면, 채널 왜곡이 크지 않은 경 우에는 UHDTV 서비스를 위한 전송 방식으로 고려될 수 있을 것이다.

Ⅵ. 결 론

본 논문에서는 지상파 UHDTV 서비스를 위하여 신호 성상의 차수를 높이는 방식으로 데이터 전송속 도를 증가시킬 경우에 OFDM 기반의 다중 반송파 전 송 방식과과 SC-FDE 기반의 단일 반송파 전송 방식 의 수신 성능을 비교하였다. 신호 성상의 차수가 증가 할수록 두 방식은 거의 비슷한 uncoded BER 수신 성 능을 보이며, LDPC 코드를 적용한 고차 신호 성상을 가지는 데이터의 경우에는 다중경로 채널의 왜곡이 작으면 영향이 비슷하여 두 전송 방식이 비슷한 성능 을 보인다. 다중경로 채널의 왜곡이 크면 SC-FDE 기 반 단일 반송파 전송 방식이 채널에 의한 영향을 비교 적 크게 받게 되기 때문에, OFDM 기반 다중 반송파 전송 방식이 더 우수한 수신 성능을 보이는 것을 확인 하였다. 따라서 다양한 환경에서 강건하게 동작하는 UHDTV를 위한 전송 방식을 위해서는 다중 반송파

전송 방식이 유리하다고 할 수 있겠다. 그러나 SC-FDE 기반의 단일 반송파 전송 방식은 PAPR이 작아서 송수신 시 비선형 증폭기에 의한 측대역에서 의 영향이 작고, 주파수 오프셋에 둔감하여 동기에 관 한 수신기의 설계가 비교적 간단한 장점이 있기 때문 에 채널 환경이 좋은 경우에는 SC-FDE 기반 단일 반 송파 전송 방식이 UHDTV 서비스를 위한 전송 방식 으로 고려될 수도 있을 것으로 보인다. 이러한 측면에 서 본 논문에서 분석된 결과는 향후 고차 신호 성상을 이용해 데이터를 송신하고자 할 때 단일 반송파 전송 방식과 다중 반송파 전송 방식 중 어느 방식을 선택할 지를 판단하는 데 참고자료로 사용될 수 있을 것이다.

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전자전기공학과 석사 2000년 2월 : 포항공과대학교

전자전기공학과 박사 2000년 3월~2000년 4월 : 포항 공과대학교 전자컴퓨터공학부 박사 후 연구원 2000년 5월~2003년 2월 : 한국전자통신연구원 선임

연구원

2003년 3월~2007년 2월 : 부산대학교 전자공학과 조 교수

2007년 3월~2012년 2월 : 부산대학교 전자전기공학 부 부교수

2012년 3월~현재 : 부산대학교 전자공학과 교수

<관심분야> 적응신호처리, 레이더 및 소나 신호처 리, 디지털 방송신호처리, 생체신호처리